книги / Общая электротехника и электроника. Физические основы и элементная база электроники

Л е к ц и я 5

1.9.9. Электронно-дырочный переход с туннельным эффектом

При высокой концентрации донорной и акцепторной примеси уровень Ферми располагается не в запрещенной зоне, как у классических полупро­ водников, а в зоне проводимости /7-полупроводника и в валентной зоне //-полупроводника. Такие полупроводники получили название вырожден­ ных, и их свойства близки к свойствам металлов. Если создать «-//-переход из таких полупроводников, то зонная диаграмма на «-//-переходе будет иметь вид, показанный на рис. 1.26.

ЗП

Как видно, в таких переходах потенциальные уровни зоны проводи­ мости «-полупроводника оказываются ниже потенциальных уровней ва­ лентной зоны //-полупроводника, и так как /о находится в обратной зави­ симости от концентрации, то обедненный слой получается очень узким и, следовательно, «прозрачным» для движения электронов. Таким образом, появляется возможность прямого, без изменения энергии, перехода элек­ тронов из зоны проводимости «-полупроводника в валентную зону //-полу­ проводника и обратно. Этот эффект, открытый в 1958 г. японским ученым Лео Эсаки, получил название туннельного эффекта, а ток - туннельного тока //-«-перехода. Наличие на //-«-переходе, кроме диффузионного и дрейфового, еще и туннельного тока значительно изменяет ВАХ перехода, а также частотные и импульсные свойства, позволяя использовать данный переход в импульсных и высокочастотных устройствах.

1.9.10. Электронно-дырочный переход с различной шириной запрещенной зоны

Такие переходы получили название гетерпереходов и могут представ­ лять собой контакт кремний - германий, германий - арсенид галия и др. Как известно, ширина запрещенной зоны у кремния 1,11 В, а у герма­ ния - 0,76 В. В результате контакта на границе перехода происходит раз­ рыв или скачок потенциальных уровней (рис. 1.27) в валентной зоне Дерv и в зоне проводимости Дфс. При этом Асрс < Аф v, так как Дф с определяется только работой выхода электронов из р- и «-полупроводников, а Дф v - еще и разным потенциалом фуйе и <PvSiПоэтому высота потенциального барь­ ера для электронов и дырок будет разной, а не одинаковой, как в симмет­ ричных «-/7-переходах.

Рис. 1.27

Если подать на переход прямое напряжение определенной величины, то потенциальный барьер для электронов снизится на величину, достаточ­ ную для активной инжекции электронов в /7-область, а для дырок это сни­ жение будет недостаточным и их инжекция практически будет отсутство­ вать. Односторонняя инжекция может повысить быстродействие элек­ тронных приборов, что является необходимым условием для создания светодиодов. Она может быть получена и в обычных переходах, если Мд» Na или наоборот, однако при этом ухудшаются параметры /?-«-перехода за счет внесения вместе с примесью «вредных» дополнительных веществ.

ны в Si0 2 , а переходя в полупроводник, либо обогащают, либо обедня­ ют приповерхностный слой в зависимости от типа полупроводника (рис. 1.36).

Si02

е ® ф @ ф @ ф ф ф

Если пленка Si02 образована на поверхности полупроводника «-типа, то в этом случае вблизи поверхности, называемый «-каналом, создается обогащенный электронами слой (рис. 1.36, а). Если пленка окисла кремния образована на поверхности полупроводника p -типа, то образуется обед­ ненный слой основных носителей, заполненный отрицательными ионами акцептора (рис. 1.36, б), либо инверсионный слой «-типа совместно с обед­ ненным слоем основных носителей (рис. 1.36, в). Наличие или отсутствие инверсионного слоя зависит как от концентрации доноров в окисной плен­ ке, так и от концентрации дырок в / 7-слое. Наличие слоя с отрицательными ионами и инверсного слоя отрицательно сказывается на работе /7-«-пе- рехода, а именно увеличивает ток термогенерации, может образовать про­ водящую перемычку, закорачивая /7-«-переход, повышает уровень собст­ венных шумов диода. Наличие обогащенного слоя в «-полупроводнике в меньшей степени влияет на /7-«-переход, но играет очень важную роль в структурах металл - диэлектрик - полупроводник.

Л е к ц и я 6

1.12. Фотоэффект в полупроводниках

При освещении световым потоком проводимость полупроводникового материала возрастает. Это связано в тем, что энергия кванта света фотона /iv, поглощаясь в полупроводнике, может переводить электрон из валент-

ной зоны в зону проводимости, создавая дополнительные носители. Ши­ рина запрещенной зоны для данного полупроводника есть величина посто­ янная, поэтому можно записать ЛУкр £ А1¥3>где И - постоянная Планка; д w3 - ширина запрещенной зоны; у,ф - критическая частота электромаг­ нитного изучения. Отсюда

AW3 vкр £ И

При частоте излучения v < у,ф энергия кванта света фотона будет не­ достаточной для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны или с уровней присадки в зону проводимости, и электропроводность полупро­ водников не будет изменяться. С ростом частоты излучения (v > у^,) кон­ центрация электронов и дырок увеличивается, что приводит к значитель­ ному росту электропроводности. Однако при дальнейшем увеличении час­ тоты излучения глубина проникновения света в кристалл уменьшается и процесс перевода электрона в зону проводимости происходит только в приповерхностном слое кристалла, в результате чего снижается количест­

во свободных носителей, а следовательно, и электропроводность. Кривая зависимости удельной проводимости от частоты излу­ чения представлена на рис. 1.37.

В зависимости от ширины запрещен­ ной зоны фотоэффект может проявиться как в инфракрасной, так и в ультрафиоле­ товой части электромагнитного спектра. Поскольку рассмотренный эффект приво-

Угр дит к изменению внутреннего сопротивле­ ния полупроводникового материала, то данное явление называется фоторезистор-

ным эффектом, а приборы, работающие по принципу этого эффекта, - фо­ торезисторами.

Фотоэффект может проявляться не только в фоторезисторе, но и на р-я-переходе при облучении его световым током. Этот эффект получил на­ звание фотогальванического эффекта. Рассмотрим, что происходит на р-п- переходе при его освещении. Под действием фотонов в обедненной облас­ ти образуются дополнительные пары электрон - дырка. Электрическое по­ ле, которое присутствует на р-я-переходе, разделяет эти пары. Электроны уходят в п-область, а дырки - в p -область. В результате этого изменяется величина потенциального барьера Афо, что эквивалентно появлению доба­ вочной разности потенциалов, которая получила название фотоэлектродвижущей силы (фотоЭДС). При замыкании внешней цепи фотоЭДС вы­